电能质量监测系统设计.pdf

第 3 9卷 第 2期 2 O l 3年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 3 9 NO ． 2 Fe b ．2 O1 3 文 章编 号 1 6 7 1 ～ 2 5 1 X 2 0 1 3 0 2 0 1 1 1 0 4 D OI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 3 0 张宗华． 电能质量监测系统设计 J 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 2 1 1 1 1 1 4 ． 电能质量监测系统设计 张 宗华 贵州省动能煤炭技术发展服务有限公 司， 贵州 贵阳 5 5 0 0 0 1 摘要 针对 电能质量受到短路 、 断路 、 漏电、 谐波等因素影响的问题 ， 设计了一种基 于 D S P的 多功能电能 质 量监 测 系统 ， 详 细介 绍 了该 系统 3个组 成部 分 即前 端信 号 采 集 电路 、 下位 机 、 上 位 机 分析 软 件 的设 计 。 实 验结果表 明， 该 系统可实时检测及计算电压、 电流、 功率、 功率 因数 、 频率、 谐波等 电力参数 ， 具有较好的监测 效 果 。 关键词 电能质量监测；电力参数 ；信号采集；谐波检 测； C AN 总线；US B接 口 中图分类 号 T D6 0 8 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 3 一 O 1 2 6 1 6 1 9 网络出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 1 2 6 ． 1 6 1 9 ． 0 2 9 ． h t ml De s i gn o f mo n i t or i n g s y s t e m o f p o we r q u a l i t y ZH ANG Zo ng hu a Gui z h ou Doe ne r Co a l Te c h no l og y De v e l o pme nt Se r v i c e Co．， Lt d． ，Gu i y a ng 5 5 0 0 01，Ch i na Ab s t r a c t I n v i e w o f p r ob l e m t h a t po we r q u a l i t y i s i nf l u e nc e d by f a c t o r s of s h or t c i r c u i t ，o pe n c i r c u i t ， l e a k a g e a n d h a r mo n i c s ， a mo n i t o r i n g s y s t e m o f p o we r q u a l i t y wi t h mu l t i f u n c t i o n b a s e d o n DS P wa s d e s i gn e d．De s i gn o f t h r e e p ar t s o f t he s y s t e m n a m e l y f r ont s i g na l c ol l e c t i o n c i r c u i t ，l owe r c o mpu t e r a nd a na l y z i ng s of t wa r e of up pe r c o m p ut e r we r e i n t r od uc e d i n d e t a i l s ．The e xp e r i me nt r e s u l t s ho we d t ha t t h e s y s t e m c a n r e a l t i me l y d e t e c t a n d c a l c u l a t e p o we r p a r a me t e r s o f v o l t a g e ，c u r r e n t ，p o we r ，p o we r f a c t o r ， f r e q u e n c y a n d h a r mo n i c s a n d i t h a s b e t t e r mo n i t o r i n g e f f e c t ． Ke y wor d s m o ni t or i n g o f po we r qu a l i t y； p o we r p a r a me t e r； s i gn a l c ol l e c t i on； h a r m o ni c de t e c t i o n； CAN bu sUSB i nt e r f a c e 收稿 E t 期 2 0 1 2 - l 1 2 9 。 作者简介 张宗华 1 9 6 2 -- ， 男 ， 贵州桐梓人 ， 工程师 ， 主要从事煤矿 自动化系统的研究及开发管理工作 ， E ma i l s o n g k u a n s o h u ． c o m。 的谐振 ， 是分频 、 基频还 频， 这些信息对 于提高 参考文献 供 电可 靠性 具有 重要 意 义l 5 ] 。 5 结 语 改 造 方 案 于 2 0 1 1年 9 月 实 施 完 成 ， 经 过 2 0 1 2年雨季雷雨天气检验 ， 系统未发生谐振过电压 现象， 运行可靠 ， 达到了预期效果 。在煤矿 中性点不 直接接地系统中， 铁磁谐振过 电压所 占的比例非 常 大 ， 同时， 随着供 电网络的发展 ， 设备不断增多 ， 谐振 问题 日益严重。因此 ， 煤矿企业必须在充分分析企 业供 电系统的前提下 ， 积极采取有效措施 ， 抑制谐振 过电压的发生 ， 保证煤矿供 电系统安全 、 可靠运行。 [ 1 ] [ 2 3 I s ] [ 4 ] [ 5 ] 张一尘． 高电压技术[ M] ． 2版． 北京 中国电力出版 社 ， 2 0 1 2 ． 连 小洲 ， 焦 洁． MA TL AB在 电 力 系统 计算 中 的应 用 [ J ] ． 江西 电力 职业技术学院学报 ， 2 0 0 5 ， 1 8 4 1 0 1 1 ． 王伟， 屠幼萍． 高电压技术[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 1 1 ． 杨振 宇 ， 钱 敏慧 ， 陈宏 钟 ， 等． 基 于 Z n O非线 性 电阻 的 新型 消弧 消谐策 略研究 [ J ] ． 电力 自动化设备 ， 2 0 0 6 ， 2 6 9 2 0 2 3 ． 赖庆波， 张斯文． WN X型微电脑多功能消谐装置[ J ] ． 电力技术 ， 1 9 8 9 6 3 5 3 7 ． 1 l 2 工矿 自动化 2 0 1 3年 第 3 9卷 0 引言 1 系统总体设计 影 响 电能 质 量 的原 因主要 有 3个 方 面 一 是诸 如雷击 、 风暴等恶劣天气造成 的短路、 断路、 漏 电等 电 网事 故 ； 二是 随着各 种 电力 电子 器件 的广泛 应 用 ， 自动保护装置作为电子器件上必 不可少 的一部分 ， 在 很 大 程 度 上 会 对 电 能 质 量 造 成 不 良影 响l_ 】 ] ， 如 一 些大型电力设备的启停 、 自动 开关 的断开及闭合 都会使公共 电网的电压暂时降低 、 产生波动与 闪变 等； 三是一些终端用户使用的非线性负载和冲击性 负 载造成 电能 质量下 降 ， 如炼 钢 电弧 炉 、 电气化 机车 等设备的运行会产生大量 的谐波电流 ， 这些谐波 电 流 注入 电 网后 ， 会产 生 比较 明显 的电压扰 动 。 解决 电能质量相关问题主要包括电能质量在线 监 测 、 分 析 和针对 具 体 电 能污 染 而 进行 的 自动 识 别 和补偿等_ 1 ] ， 为了能达到电网中电能质量的全面监 测 ， 就必须对各种反映电能质量的重要参数进行实 时计算 、 跟踪 和分 析[ 3 j 。本文 设计 了一种 基 于 D S P 芯片 TMS 3 2 0 F 2 8 1 2的电 能 质量 监测 系统 ， 主 要 针 对线路保护 中的电压 、 电流、 功率 、 功率 因数、 频率、 谐波等电力参数进行检测及计算 。 电能质量监测系统 由 3个 部分组成 1 前端 信号采集 电路 ， 主要 由电压 、 电流互感器和一些运算 放大 器构 成 ； 2 下 位机 ， 包括 一 些基 本 电路 和通 信 电路 ， 选用 的主处 理 器 是 TI 公 司生 产 的 D S P芯 片 TMS 3 2 0 F 2 8 1 2 ， 并用其内嵌的 AD转换器进行数据 转换 ； 3 上 位机 分析软 件 。系统 结构 如图 1所示 。 单个监测系统 1 单个监测系统n 互 感 器} ． 1模 块 集 A D 转 换 器 T M S 3 2 O F 2 8 1 2 e C A N． 叫单个监测系统2 I 存 储器卜 模块 匝匿 ． G P IO 模 块 1 6 0 2 L C D U S B 模块 一 - d 上位机分析软 图 1 电能质量监测系统结构 1 ． 1 前 端信 号采 集 电路 电压互感器输出的电压信号 幅值远远超过 AD 转换器的输入范围， 且 电流互感器 的输出为电流信 号 ， 而 AD转换器 只能 转换 0 ～3 V 电压信号。因 此 ， 设计前端采集 电路解决上述问题。前端信号采 集 电路 如图 2所示 。 图 2 前端信号采集 电路 图 2中， J 1为 电压信号接入端 ， J 2为电路 的供 互感器 S C T 2 7 7的输出均为电流信号 ， 当 S P T 2 0 4 A 电电源端， J 3为电压电流信号调理后输 出端 ， 可直 额定工作时， 输入输出均为 2 mA电流， 所 以在其输 接接人 AD转换器 。电压互感器 S P T 2 0 4 A和电流 人端放置一大电阻将电网电压转换为互感器可用输 2 0 1 3年 第 2期 张 宗华 电能 质量 监测 系统设计 1 1 3 人电流信号 。放大器前段反向并联 的 2个二极管起 保护作用 ， 防止输入信号过大烧毁器件。在运放反 馈通道上并联可调电阻和电容 ， 起 到补偿相移 的作 用 。被测的正弦波信号经调理后得到的是双极性信 号 ， 而 TMS 3 2 0 F 2 8 1 2的 AD转换器是单极性的， 只 能接收单极性信号， 因此 ， 在互感器 电路后接 电压抬 升 电路， 进一步调整电压电流信号 ， 将其转化为 0 ～ 3 V的电压信号后 ， 再进行 AD转换 。I C1 被设计为 加 法 器 ， 可实现 2路 电 压 的 叠加 进 而 实 现 对 电压 的 抬 升 。TL 4 3 1为 TI 公 司生 产 的三 端 可调 分 流 基 准 源 ， 其作用是在输出端用 2个 电阻就可任意设置从 V f 2 ． 5 V 到 3 6 V的稳定输 出电压 。 1 ． 2 下 位 机 1 存 储 器扩 展 电路 TMS 3 2 0 F 2 8 1 2内 自带 的 1 8 K1 6 b i t s的数据 存储器为单 周期访 问 R AM， 且访 问速度不 高。该 电能质量监测 系统的数据采集量大 、 采 样速率要求 高 ， 后续开发 中使用到 的信号处理相关数据库会大 大增 加 程 序 代 码 ， 因 此 ， 采 用 了 I S 6 1 L V2 5 6 1 6 AL 2 5 6 K1 6 b i t s的高速静态 R AM 作为外扩存储器， 其扩 展 电路如 图 3所示 。 I S 6 1 L V2 5 6 1 6 AL A0 l A0 I ， O0 7 D0 Al 2 A1 I ／ O1 8 Dl A2 3 A2 I ／ O2 9 D2 A3 4 A3 I， O3 l t J I 】 A 4 5 l 3 D4 A5 1 8 A4 I ／ O 4 l 4 D5 A6 l 9 A5 I ， O5 A7 2 0 A6 I ， 06 l 5 D6 A8 2I A7 I ， O7 l 6 D7 A9 2 2 A8 I ／ O8 Z D8 Al U 2 3 A9 ∞9 3 0 D9 AI 1 2 4 A1 O I ， Ol 0 3l Dl U Al 2 2 5 A1 1 I ／ Ol 】 j 2 Dl l Al 3 2 6 A1 2 I ／ O1 2 3 5 Dl 2 Al 4 2 7 A1 3 I ， O1 3 3 6 Dl 3 Al 5 4 2 A1 4 I ／ O1 4 3 7 D1 4 Al 6 4 3 Al 5 I ， Ol 5 3 8 Dl 5 A1 6 AI 7 4 4 ’疆 ]一 V o _ r A1 7 VC C CS 6 6 VC C W R 1 7 C E _上 2 _ _【 R T 4 l W E 4 0 0 E 1 2- ] 瓦 l F 1 l 3 9 UB GND LB GND 垒 J 上 I 图 3存储器扩展 电路 2 键盘和液晶显示电路 下 位机 中加入 了 8个 按键 K1 ～K8 ， K1 用 于清 除所有数据 ， K2用于启动定时器采集数据并计算出 电压频 率， K3采 用 F F T算 法计算 谐 波， K4采 用 Ma l l a t 算法计算 谐 波 ， K5将 传输 结果 传送 到 P C 机 ， K6将数据通过 C AN总线进行发送 ， K7和 K8 为预留按键 ， 可进行功能扩展 。 采用 1 6 0 2 字符型 L C D作 为显示屏， 系统启动 时， 显示屏根据用户的操作显示相应信息， 并在计算 出相关参数后进行简单显示 。 3 US B接 口电路 系统采用 高速 US B接 口实现数据 通信功 能， US B接 口将采集 到的数 据和一些计算 结果通过下 位机传 送 到 P C机 完成 相关 波 形 和结果 的显示 。 US B接 口电路 如 图 4所 示 。 D c c 瞥 2 冒 苫 墨 苔 弓 弓 弓 弓 弓 弓 PB7 PDo PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 图 4 US B接 口电路 4 C AN总线电路 由 于 电 能 质 量 监 测 系 统 工 作 在 高磁 场 的环 境 中 ， 存 在 电磁 干 扰 ， 为 了实 现 可靠 、 稳 定 通 信 ， 采 用 C AN 总线 。TMS 3 2 O F 2 8 1 2内部集 成 了增 强 型控制 局域网络模块， 在具有 电磁干扰的环境中， 也能使用 标准的 C AN 协议 与其 他控 制器 串行通信 。C AN 总线电路如图 5所示 。 图 5 CAN 总 线 电 路 1 ． 3上 位机 分析 软件 电能 质 量 监 测 系 统 采 用 C语 言 在 Vi s u a l S t u d i o开发环 境下设计上 位机分析软件 。该软件 基本功能大致分为两大块 ， 分别为控制模块和显示 模块 ， 其结构如图 6所示 。 0 量 蚕 鬻 1 1 4 工矿 自动化 2 0 1 3 年 第 3 9卷 图 6 上位 机 分 析软 件 结 构 通过上位机对分析软件 的操作， 用户可以给下 位机发送一些基本的控制命令 ， 监控系统的运行 ， 如 A／ D采样 、 选择谐波计算方 法、 US B传输数 据等。 在 上位 机显示 界 面 中 ， 可 以设 定并 显示 系统 时间 、 选 择读取数据的端 口并检测端 口状态 、 显示采样得到 的电压 电流波形 、 显示下位机计算得 到的各个计算 结 果 。 2 系统调试 与 运行 2 ． 1 系 统 调 试 将 电能质量监测系统接人电网中， 利用前端信 号 采 集 电 路 采 集 电 压 和 电 流 信 号，并 送 人 TMS 3 2 0 F 2 8 1 2 进行 AD转换 ， 在 TMS 3 2 O F 2 8 1 2调 试环 境 中显示 AD转换 后 的 电压 和 电流波 形分别 如 图 7 、 图 8所 示 。从 图 7 、 图 8可看 出 ， 电压 和 电流波 形均 接 近 理 想 正 弦 波 ， 表 明 前 端 信 号 采 集 电 路 与 AD转换 器 工作正 常 。 f ， s 图 7 AD转换后 的电压波形 t ／ s 图 8 A D转换后 的电流波形 为测试下位机与上位机之间是否通信正常 ， 将 上述电压 、 电流波形数据通过 US B接 口传到 P C机 中， 上位机显示结果如图 9所示 。 2 ． 2运 行 结 果 将电能质量监测 系统接人 电网中， 对各种参数 进 行计算 ， 并在液晶显示屏上进行相关显示。得到 图 9上 位 机 中显 不 的 电 压 、 电流 波 形 的 电压 偏 差值 为 1 ． 8 6 ％ ， 频 率偏 差 值 为 1 ． 1 7 ％ ， 功 率因数为 0 ． 8 1 ， 电压基波相位角为 8 ． 1 1 4 4 。 。系统 在使用时， 计算谐波可采用 F F T和 Ma l l a t 两种算 法 ， 通 过 下位 机键 盘操 作 可选 取所 用 算法 ， 利用 F F T算法计算 出的总谐波含有率为 6 ． 2 7 。上位 机显示的谐波数据结果如图 1 O所示 。 3 结语 图 l O 上位机显示的谐波数据结果 基于数字信号处理芯片 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2设计 了 一 种多功能电能质量监测 系统 ， 介绍了该 系统 的硬 件电路及软件结构。实验结果表明， 该系统具有较 好 的监测 效果 ， 可实 时检 测及计 算 电压 、 电流 、 功率 、 功率 因数 、 频率 、 谐波 等 电力参数 。 参考文献 [ 1 ] 程浩忠 ， 艾芊 ， 张志刚 ， 等． 电能质量 E M] ． 北 京 清华 大 学 出版社 ， 2 0 0 6 ． E 2 3吕润馀 ． 电力系统 高次谐 波[ M3 ． 北京 中国电力 出版 社 ， 1 9 9 8 ． E 3 ] 兰吉昌． TMS 3 2 0 F 2 8 1 2 D S P应用实例精讲E M3 ． 北京 化 学工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 4 ] 朱延涛． 配 电网电能质量 在线监 测装置 的研 究与 开发 E D ] ． 天津 天津大 学 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 杨富康． 基 于 F F T 电网谐 波检测 方 法的研 究 E D] ． 西 安 西安科技 大学 ， 2 0 0 9 ．